如何编写 C++ 20 协程(Coroutines)

C++20 带着 Coroutines 来了！

花了一两周的时间后，我想写写 C++20 协程的基本用法，因为 C++ 的协程让我感到很奇怪，写一个协程程序十分费劲。让我们抛去复杂的东西，来看看写一个 C++ 协程需要哪些东西。

编译器支持

由于 C++ 20 还没被所有编译器完全支持，首先需要确保你的编译器实现了 Coroutines，可以通过下面的网站查看编译器支持情况：https://en.cppreference.com/w/cpp/compiler_support#cpp20

值得一提，我使用的 MacOS 自带的 Apple Clang 对 C++20 支持很弱，我选择通过 Homebrew 安装最新版的 GNU GCC (10 以上版本)来编译。

我使用的 GNU GCC 10.2 版本编译指令：

g++ -fcoroutines -std=c++20

Clang 支持不够好，不推荐使用。Clang 可以使用如下命令编译：

clang++ -std=c++20 -stdlib=libc++ -fcoroutines-ts

不推荐 Clang 还有一个理由：使用 Clang 需要 include 头文件 <experimental/coroutine> 而不是 <coroutine>。此外，一些类型被命名为 std::experimental:xxx 而不是 std:xxx。

以下示例代码只支持 GNU GCC 版本的编译器。

C++ 协程简介

在正式开始之前，我们先要理解 C++20 中协程使用的一些术语。

首先，什么是协程？

协程就是一个可以挂起(suspend)和恢复(resume)的函数(但无论如何不能是 main 函数)。你可以暂停协程的执行，去做其他事情，然后在适当的时候恢复到暂停的位置继续执行。协程让我们使用同步方式写异步代码。

怎么挂起协程呢？C++ 提供了三个方法：co_await, co_yield 和 co_return。

顺便说一句：coroutine 不是并行(parallelism)，和 Go 语言的 goroutine 不一样！

与你之前接触到的协程完全不同，一个 C++ 协程一般长这样：

这奇怪的协程代码涉及了 C++ 协程很重要的三个概念：

• promise_type

• Awaitable

• std::coroutine_handle<>

在写 C++20 的协程之前，我们必须需要先了解三个概念，可以用这三张图来形容这三个概念：

图来源: https://www.youtube.com/watch?v=vzC2iRfO_H8

Promise

C++ 协程的返回类型必须是 promise_type，promise_type 是一个 interface，你可以用它来控制协程，在协程的生命周期中注入自定义行为：

• get_return_object：控制协程的返回对象

• initial_suspend：在协程开始的时候挂起

• final_suspend：在协程结束的时候挂起

协程的生命周期如下，用户自定义的函数 <function-body> 被包裹在下面的伪代码中(来源：http://eel.is/c++draft/dcl.fct.def.coroutine#5)：

可以看到，initial_suspend 会在进入协程(也就是函数)之前执行，final_suspend 会在协程返回之前执行。

如果 final_suspend 真的挂起了协程，那么作为协程的调用者，你需要手动的调用 destroy 来释放协程；如果 final_suspend 没有挂起协程，那么协程将自动销毁。先记住这句话，在后面还会提到。

除此之外，Promise 还有一些其它责任：

• return_void()/return_value()/yield_value() 方法: 用来控制 co_return 和 co_yield的行为；

• unhandled_exception() 处理异常

• 创建和销毁协程的 stackframe

• 处理 stackframe 创建可能发生的异常

stackframe ：函数运行时占用的内存空间，是栈上的数据集合，它包括：

• Local variables

• Saved copies of registers modified by subprograms that could need restoration

• Argument parameters

• Return address

Awaitable

第二个概念是 Awaitable，Awaitable 负责管理协程挂起时的行为。

一个 Awaitable 对象可以成为 co_await 调用的对象。Awaitable 拥有以下方法：

• await_ready()：是否要挂起，如果返回 true，那么 co_await 就不会挂起函数；

• await_resume()：co_await 的返回值，通常返回空； 

• await_suspend()：协程挂起时的行为；

可以在 await_suspend 中实现 await_ready 的效果，例如直接不挂起当前的协程，但在调用 await_suspend 之前，编译器必须将所有状态捆绑到协程的 stackframe 中，这会更耗时。

有时候我们的协程并不需要自定义复杂的行为，C++ 提供了两个默认的 Awaitable：

suspend_always::await_ready() 总是返回 false，而 suspend_always::await_ready() 总是返回 true。其他的方法都是空的，没有任何作用。

如果没有其它多余的行为，我们可以在函数中直接调用 co_await std::suspend_always{} 来挂起一个函数。

Coroutine Handle

co_await 挂起函数，并创建了一个可调用对象，这个对象可以用来恢复Hanns乎的执行。这个可调用对象的类型就是 std::coroutine_handle<>，最常用的两个方法是：

• handle.resume()：恢复协程的执行；

• handle.destroy()：销毁协程；

Coroutine Handle 很像指针，我们可以复制它，但析构函数不会释放相关状态的内存。为了避免内存泄漏，一般要调用 handle.destroy() 来释放（尽管在某些情况下，协程会在完成后自行销毁——前文有提到）。同样像指针一样，一旦销毁了一个 Coroutine Handle ，指向同一个协程的另一个 Coroutine Handle 将指向垃圾，并在调用时表现出未定义行为。

学习更复杂的用法之前，我们先看下示例。

示例

这个简短的示例展示了 C++ 实现协程 "Hello world" 程序。我们执行完 "Hello " 后挂起函数，又在执行 handle.resume() 后恢复函数的运行。

非常简单，不再过多解释。

co_yield

C++ 协程与一个 Promise 交互之所以如此笨拙，有一个特殊原因就是为了 co_yield。

如果 promise 是当前协程的 Promise 对象，那么执行：

co_yield <expression>;

相当于执行了：

co_await promise.yield_value(<expression>);

所以，需要在 promise_type 中添加一个 yield_value 方法。上面的例子可以改为：

可以用 co_yield 实现 Python 中的生成器，参考：https://lewissbaker.github.io/2018/09/05/understanding-the-promise-type

co_return

执行 co_return 语句时：

co_return <expression>;

相当于执行了：

co_return promise.return_value(<expression>); goto end;

下面再给出示例加上 co_return 的版本：

复杂一些

到此， Awaitable 和 Coroutine Handle 好像还没有发挥什么作用，我写的示例程序都非常简单。

如果我们想在协程挂起的时候，做更多的动作，一般将 Coroutine Handle 传到 Awaitable 的 await_suspend() 中，用一个官网的例子展示一下：

小结

本文简单介绍了 C++ 协程，希望下次你写 C++ 协程的时候，首先想到这三个东西：

我本人也不是编程语言专家，对于 C++ 协程总觉得有些繁琐、怪异，或许是我并不清楚 C++ 在原有情况下支持协程的困难，但我依然觉得 C++ 团队可以做得更好。

我还需要花时间弄明白到底该如何在项目中使用这臃肿的协程。

不过，可以预见到的是，我们会在越来越多的 C++ 项目中看到协程的身影。比如 facebook folly 就已经实现了一个实验阶段的协程框架: https://github.com/facebook/folly/tree/master/folly/experimental/coro

也许等我再研究一段时间，会写一篇到底该如何使用 C++ 协程。

Reference

• C++ Coroutine definitions: http://eel.is/c++draft/dcl.fct.def.coroutine#5

• C++ draft expr.await: http://eel.is/c++draft/expr.await

• C++ Coroutines: Understanding the promise type: https://lewissbaker.github.io/2018/09/05/understanding-the-promise-type

• 官网的例子：https://en.cppreference.com/w/cpp/language/coroutines

• My tutorial and take on C++20 coroutines：https://www.scs.stanford.edu/~dm/blog/c++-coroutines.html#coroutine-handles

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